陶瓷材料因其出色的强度、耐热性和化学稳定性，在航空航天、能源、电子等领域具有不可替代的地位。然而，陶瓷的本征脆性——即极低的拉伸塑性（通常低于1%）一直是制约其更广泛应用的致命缺陷。强度和应变在结构材料中往往是相互排斥的：聚合物通常具有高应变但低强度，而陶瓷则强度虽高却应变容忍度极低。数十年来，如何在陶瓷中同时实现高强度和大应变一直是材料科学领域的核心追求。尽管近期研究通过缺陷工程（如引入高密度位错运动）在纳米尺度压缩条件下实现了陶瓷的塑性，但拉伸塑性仅在极少数特殊体系中得以实现，且缺乏普适的设计策略。此前仅有两种氧化物陶瓷被报道展现出拉伸塑性：一是利用超高温脉冲激光沉积制备的超薄非晶氧化铝薄膜，二是通过从金属钼衬底转移位错而实现塑性的氧化镧。然而，将这些策略拓展至宏观块体陶瓷仍然面临巨大挑战。

针对上述难题，东华大学严建华教授、北京纳米能源与纳米系统研究所董凯教授及嘉兴大学Soon Hyung Hong教授领衔的研究团队，提出了一种可扩展的相调制策略，成功合成了含有高纯度亚稳态[AlO₅]配位网络的氧化铝（Al₂O₃）超纤维，同时实现了拉伸超塑性（10.01%的宏观应变和194%的局部微应变）和高强度（1.94 GPa），韧性高达128.4 MJ/m³，远超传统陶瓷的极限（如图1所示）。该策略通过在富金属前驱体纤维中调控铝原子的扩散路径，打破了传统氧化铝形成过程中以[AlO₆]和[AlO₄]配位为主的稳定结构，构建了以亚稳态[AlO₅]为主导的无序氧晶格网络。这一亚稳态[AlO₅]从根本上改变了陶瓷的变形力学：降低了键断裂与重构的能垒，同时无序的氧晶格促进了广泛的原子位移，从而激活了类似于金属的位错机制。该局部塑性通过高密度网络累积，最终在宏观尺度上赋予纤维拉伸塑性，颠覆了人们对陶瓷变形的传统认知。相关论文以“Synthesis of alumina ceramic meta-fibers with tensile super-plasticity”为题，发表在Nature Communications上。

图1. 具有拉伸超塑性的Al₂O₃超纤维

从微观设计到宏观性能

研究团队首先开发了无机溶胶纺丝路线，通过调控AlCl₃与Al粉的摩尔比（优化为1:5），制备了含有多巴胺包覆铝或铜纳米颗粒的前驱体纤维。透射电镜（TEM）成像（图2a-c）显示，纯氧化铝纤维在600°C退火后由非晶畴和初期晶核组成；铜掺杂纤维（Cu-Al₂O₃）在600°C时形成了细小的CuAl₂O₄尖晶石晶粒（平均尺寸约2 nm），纤维直径从1.16 μm细化至800 nm；而铝掺杂纤维（Al-Al₂O₃）在600°C下仍保持完全非晶态，且未改变纤维直径。基于离子半径、晶体场稳定化能和静电能的综合分析，研究团队提出了三种金属扩散模型（图2d-f）：在纯氧化铝中，Al³⁺优先占据八面体或四面体位置，形成混合的[AlO₆]/[AlO₄]配位环境，导致脆性晶态氧化铝；铜离子扩散速度快，优先占据四面体位形成[CuO₄]单元并诱导Jahn-Teller畸变，稳定CuAl₂O₄尖晶石结构，不破坏氧晶格；而铝掺杂则直接破坏氧晶格并降低氧配位数，有利于形成亚稳态[AlO₅]单元。拉曼光谱（图2g）证实，600°C退火的Al-Al₂O₃纤维展现出高纯度[AlO₅]网络，但随着退火温度升高至800°C和1000°C，氧晶格有序化增强，[AlO₅]特征峰逐渐减弱直至消失。原位扫描电镜（SEM）拉伸测试（图2h）揭示了三类纤维的力学性能差异：纯Al₂O₃纤维强度为1.02 GPa、应变为4.85%；Cu-Al₂O₃纤维展现出超高强度2.04 GPa和中等应变6.22%；而Al-Al₂O₃纤维则奇迹般地实现了1.94 GPa的高强度和10.01%的拉伸应变，弹性模量约为24.0 GPa。值得注意的是，Al-Al₂O₃纤维在断裂后直径减小了约6.46%，进一步证实了其显著的塑性变形能力。此外，原位透射电镜观察揭示，在局部塑性区内应变可骤增至194.75%，同时伴随着纳米孔洞的成核与扩展，这些孔洞在拉伸过程中起到释放累积应力的作用，使纤维能够在不断裂的前提下持续承受进一步的塑性变形。

图2. 相调控工程在Al₂O₃纤维中形成高纯度[AlO₅]网络

为了揭示超塑性机理，研究团队进行了分子动力学模拟（图3a-b）。模拟结果显示，Al-Al₂O₃纤维展现出6%的弹性应变、24%的塑性变形和1.5 GPa的拉伸强度。

图3. Al-Al₂O₃中塑性机制的模拟与表征

在实用化探索中，研究团队将塑性Al-Al₂O₃纤维加捻成纱线，并进一步编织成耐火、电绝缘的陶瓷织物（图4a）。通过加捻优化，研究团队制备了直径为20 μm、50 μm和100 μm的Al-Al₂O₃纱线。横截面分析显示，20 μm纱线孔隙率为74.41%，展现出最高拉伸强度（257.4 MPa）但应变较低（3.8%，其中塑性平台为2.688%）；50 μm纱线孔隙率降至63.74%，拉伸应变提升至4.45%，同时保持229 MPa的高强度（图4b），性能可与商业碳纤维和聚合物纱线媲美（图4c）；100 μm纱线孔隙率进一步升高至81.07%，虽具有更高应变但强度因纤维间滑移而显著下降。50 μm纱线可过度加捻成直径为1-2 mm的粗螺旋结构，轻松集成至实用陶瓷织物中（图4d）。所得纺织品展现出与商业氧化铝毡相当的力学性能（图4e），同时保留了卓越的柔性和防火性能。该织物在室温下的导热系数仅为0.032 W/（m·K），接近空气（0.026 W/（m·K）），在500°C时也仅为0.052 W/（m·K）（图4f）。在热防护测试中（图4g），仅0.2 cm厚的该织物隔热性能超越了5 cm厚的棉和羽绒，凸显了其在紧凑几何构型下的优异耐热性能。

图4. 具有宏观塑性的拓扑Al-Al₂O₃纱线和织物

（来源：高分子科学前沿）